【正文】 .............................37 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 1 頁 共 51 頁 1 緒論 課題背景 直流電動機電力拖動與交流電動機電力拖動在 19 世紀中葉先后誕生，直流電動機的數(shù)學(xué)模型簡單，轉(zhuǎn)矩易于控制。 1960年以來，晶閘管整流器的應(yīng)用，使得直流拖動控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對滯留拖動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計也有了一套實用的工程設(shè)計方法。隨著科技的發(fā)展， PWM 調(diào)速成為電機調(diào)速的新方式，并憑借它的開關(guān)頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點，在電機調(diào)速中被普遍運用。 在實際應(yīng)用中，電動機作為把電能轉(zhuǎn)換為機械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類：勵磁控制法與電樞電壓控制法。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展。其中脈寬調(diào)制 (Pulse Width Modulation， PWM)是常用的一種調(diào)速方法，調(diào)節(jié)電機的輸入占 空比就可以控制電機的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。直到進入上世紀 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。 選題的目的和意義 直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速 ，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難，阻礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。采用單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本 ，從而有效的提高工作效率。 目前，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機調(diào)速技術(shù)又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。在設(shè)計中，采用了 PWM 技術(shù)對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調(diào)速的目的。本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 3 頁 共 43 頁 2 基本原理闡述 直流電機調(diào)速 直流電機原理 直流電動機，多年來一直用作基本的換能器。圖 21 為直流電機的物理模型圖，其中，固定部分（定子）由磁鐵（稱為主磁極）和電刷組成；轉(zhuǎn)動部分（轉(zhuǎn)子）由環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組組成，定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。在換向片上放置著一對固定不動的電刷 B1 和 B2，當電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向器和電刷與外電路接通。給兩個電刷加上直流電源，如圖 22 所示，有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈 abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體 ab和 cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動；如果 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖 22 所示的位置，電刷 A 和換向片 2 接觸，電刷 B 和換向片1 接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是 dcba，從電刷 B 流出。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊 ab 和 cd 流入，使線圈邊只要處于 N 極下，其中通過電流的方向總是由電刷 A 流入的方向，而在 S 極下時，總是從電刷 B 流出的方向，這就保證了每個磁極下線圈邊中的電流始終是一個方向，這樣的結(jié)構(gòu)，就可使電動機連續(xù)旋 轉(zhuǎn)。不同勵磁方式的直流電機機械特性曲線有所不同。 由公式（ 21）可知，直流電動機的調(diào)速方法有三種： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。 （ 2）改變電動機主磁通 ? 。 fI 變化時間遇到的時間常數(shù)同 aI 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。 基于以上特性，改變電樞電壓，實現(xiàn)對直流電機速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。 調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種： （ 1）旋轉(zhuǎn)變流機組。 （ 2）靜止可控整流器 （簡稱 VM 系統(tǒng)） 。 （ 3）直流斬波器 （ 脈寬調(diào)制變換器 ） 。 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現(xiàn)變流，由發(fā)電機給需要調(diào)速的直流電動機供電 ，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不方便等缺點。 VM 系統(tǒng)是當今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 VM 系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可 逆運行造成困難。最后，當系統(tǒng)處于低速運行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機車、城市無軌電車以及電瓶搬運車等電力牽引設(shè)備的變速拖動中。當開關(guān) VT接通時，電源電壓 U。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖 （ b）所示。當晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機上，當晶 閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。 （ 3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。脈寬調(diào)速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限。 PWM 原理及其實現(xiàn)方法 PWM 基本原理 PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負載兩端的電壓，進 而達到控湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 7 頁 共 43 頁 制要求的一種電壓調(diào)整方法。在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。因此， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。 由公式（ 22）可見，當我們改變占空比 D=t1/T 時，就可以得到不同的電機平均速度 aV ,從而達到調(diào)速的目的。 PWM 脈寬調(diào)制方式 PWM 脈寬調(diào)制的方式有 3 種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。 PWM 的一個優(yōu)點是從 AT89S52 到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。噪聲只有在強到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1 時，才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 PID 算法簡介 PID 控制 在連續(xù)控制系統(tǒng)中， PID 控制算法得到了廣泛的應(yīng)用，是技術(shù)最成熟的控制規(guī)律。根據(jù)偏差的比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）進行的控制，稱為 PID控制。由于本文只用到數(shù)字 PID，所以只介紹數(shù)字 PID 算法 。 簡單的說， PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是： （ 1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號 ()et ,偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差； （ 2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 為將模擬 PID 控制規(guī)律離散化，我 們把 ()rt 、 ()et 、 ()ut 、 ()ct 在第 n 次采樣的數(shù)據(jù)分別用 ()rk 、 ()ek 、 ()uk 、 ()ck 表示，于是式（ 23）變?yōu)椋? ( ) ( ) ( )e k r k c k?? (24) 當采樣周期 T 很小時 dt 可以用 T 近似代替， ()det 可用 ( ) ( 1)e k e k??近似代替， “ 積分 ” 用 “ 求和 ” 近似代替，即可作如下近似 ( ) ( ) ( 1)de t e k e kdt T??? (25) 0 1( ) ( )ntie t dt e i T???? (26) 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 9 頁 共 43 頁 這樣，式（ 23）便可離散化以下差分方程 01( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT?? ? ? ? ? ?? (27) 上式中 0u 是 偏差為零時的初值 ,上式中的第一項起比例控制作用 ,稱為比例（ P）項()puk,即 ()puk= {( )PK ek (28) 第二項起積分控制作用 ,稱為積分 (I)項 ()Iuk即 1( ) ( )kIP iITu k K e iT ?? ? (29) 第三項起微分控制作用 ,稱為微分 (D)項 ()Duk即 ( ) [ ( ) ( 1 ) ]DDP Tu k K e k e kT? ? ? (210) 式（ 27）的輸出量 nu 為全量輸出 ,它對于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達到的位置。工業(yè)應(yīng)用中，采用 PID 位置算法是不夠方便和有欠缺的。 增 量式算法是位置算法的一種改進。用理論計算法設(shè)計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù) 學(xué)模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。下面簡單介紹兩種常用的簡易工程整定法。這種方法是對連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度法的擴充，適用于有自平衡特性的被控對象，不需要準確知道對象的特性。經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線，來調(diào)整 P、 I、 D 三者參數(shù)的大小的 。 圖 31 系統(tǒng)的硬件原理方框圖 其中單片機負責(zé)控制運算、數(shù)據(jù)采集等任務(wù)，輸入電路用于設(shè)定直流電機預(yù)期速度及控制直流電機的啟動、正反轉(zhuǎn)、停止，顯示電路用于顯示直流電機的當前轉(zhuǎn)速，測速電路用于測量直流電機的實際轉(zhuǎn)速，驅(qū)動電路用于驅(qū)動直流電機。 單片機設(shè)計方案 方案一：采用 AT89S51/AT89S52 作為系統(tǒng)控制的方案。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。它 和 AT89S2 一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低 ,使用簡單等特點，但是它的頻率較低、運算速度慢， RAM、ROM 空間小等缺點。 綜合上述兩種方案比較，采用 AT89S52 作為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機運動較為簡單，可以滿足設(shè)計要求。 驅(qū)動電路設(shè)計方案 單 片 機 輸入電路 電源 顯示電路 測速電路 驅(qū)動電路 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 12 頁 共 43 頁 本次設(shè)計的主要目的是控制電機的轉(zhuǎn)速，因此電機驅(qū)動模塊是必不可少，其方案有一下兩種。因此此中方案不宜采用。設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中，大大 的提高了工作效率。 速度采集模塊設(shè)計方案 本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過程中需要將設(shè)定與當前實際轉(zhuǎn)速進行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設(shè)計的，其設(shè)計方案以下三種： 方案一：采用霍爾集成片。當磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在電機上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數(shù)進行電機速度的檢測。其檢測方式為：發(fā)射器和接受器相互對射安裝， 發(fā)射器的光直接對準接受器，當測物擋住光束時，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。 方案三：采用測速發(fā)電機對直流電機轉(zhuǎn)速進行測量。 以上三種方案中，第三種方案不宜采用，第一種和第二種方案的測速原理基本相同都是將電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖的頻率進行 測量，但考慮到 霍爾式精度比較高，頻率比較快，成本低。 ，所以綜合考慮在設(shè)計中選用第 一 種方案進行設(shè)計。數(shù)碼管具有亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動簡單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點，并且它可采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，編程容易，硬件電路調(diào)試簡單。 方案三：采用 12864LCD 液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件連接電路較上面兩種方案復(fù)雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。 輸入電路設(shè)計方案 在電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)定以及電機起停的控制，因此鍵盤在整個系統(tǒng)中是